고해상도 기능성 광자 부품용 UV-LED 프로젝션 포토리소그래피

초록 광학 분야에서 마이크로 및 나노구조화 기술의 발전은 광자 장치 및 집적 시스템의 지속적인 소형화와 높은 기하학적 정확성에 대한 수요에 의해 추진되고 있습니다. 여기서는 UV-LED 프로젝션 포토리소그래피가 표준 광학 장비만을 사용하여 고해상도와 정확도로 2차원 광학 마이크로 및 나노구조를 신속하게 생성하는 간단하고 저비용의 접근법으로 시연됩니다. 개발된 시스템은 1000배 축소된 구조 패턴을 기판에 투사할 수 있습니다. 나노미터에서 센티미터 규모에 이르는 다양한 기하학적 복잡성과 전체 구조 치수를 가진 강성 또는 유연한 기판 위의 광자 장치(예: 도파관 및 마이크로링 공진기)가 성공적으로 제작되었습니다. 특히, 이 방법으로 처음으로 150nm까지의 특징 크기와 400nm에 이르는 주기를 가진 고해상도 격자가 구현되었습니다. 도핑된 레이저 활성 물질로 만든 도파관이 제작되었으며, 그 자발 방출이 검출되었습니다. 개발된 접근법의 우수한 성능은 광자학, 플라즈모닉스, 광학 재료 과학 등 다양한 분야에서 널리 응용될 수 있을 것입니다.

소개생산의 소형화 및 컴팩트한 통합에 대한 수요 증가에 힘입어, 광학 및 광자 장치를 소형화된 치수와 높은 정확도로 실현하기 위해 지난 수십 년간 리소그래피 기반의 첨단 제작 기술이 광범위하게 개발되어 왔습니다. 현재까지 고정밀 마이크로 및 나노 요소들, 예를 들어, 웨이브가이드1–3, 격자4–6, 링 공진기7–9, 분배기10,11, 및 광 스위치12–14와 같은 첨단 집적 회로나 네트워크를 구성하는 요소들은 실험실 규모에서 이광자 리소그래피15–17, 전자빔 리소그래피18–20, 이온빔 리소그래피21,22, 또는 나노임프린트 리소그래피23,24를 통해 제작할 수 있습니다. 처음 세 가지 방법에 기반한 제작 시스템은 고품질 및 고해상도 구조화에서 우수한 성능을 보이지만, 비용이 매우 높고 처리량이 낮다는 제한이 있습니다. 나노임프린트 리소그래피는 저비용과 높은 처리량으로 고해상도 구조화를 가능하게 하지만, 복제를 위해 필요한 정밀 몰드가 유연성을 제한하며 추가적인 비용과 시간이 소요됩니다25. 또 다른 기술인 극자외선(EUV) 리소그래피는 매우 고품질 및 고해상도 구조를 생성합니다. 최첨단의 최소 피처 크기는 10 nm 이하입니다26,27. 그러나 이 기술은 주로 마이크로전자 집적 칩의 대량 생산에 사용되며, 상업용 EUV 리소그래피 시스템은 1억 유로가 넘는 비용으로 매우 고가입니다. 실험실 규모의 광학 접촉 리소그래피28,29 및 투영 포토리소그래피30–33도 마이크로 및 나노 구조화를 위해 개발되고 있으나, 현재까지 이들 방법은 마이크로미터 수준의 해상도만 달성하였습니다. 또한, 광학 접촉 리소그래피는 고가의 접촉 마스크 얼라이너를 사용해야 하며, 포토마스크에 있는 패턴의 해상도와 정밀도가 대상 구조에 직접 전사되는 패턴과 동일합니다.

기판에 축소 없이. 현재 사용 가능한 프로젝션 리소그래피는 보통 수은 램프를 광원으로 사용하며, 이 경우 부피가 큰 냉각 시스템이 필요하고 비용이 더 높아집니다. 마이크로 및 나노 스케일에서 광학 프로젝션 리소그래피의 생산 능력을 향상시키고 제작 장비의 비용과 크기를 줄이기 위해, 우리는 표준 현미경 대물렌즈를 사용하여 패턴을 기판에 전사하는 광학 기반 제작 방법인 UV-LED 현미경 프로젝션 포토리소그래피(MPP)를 제안합니다. 이는 고품질 광자 소자 제작을 위한 강력한 대체 기술입니다. 간단하고 저비용의 UV-LED MPP 장치를 개발하였으며, 고해상도 2D 마이크로 및 나노 구조물을 빠르고 정밀하게 생성하는 능력을 입증하였습니다. 개발된 MPP 장치에서는 튜브 렌즈를 도입하여 대물렌즈와 결합함으로써 무한 보정 광학 시스템을 구축하여 제작 구조물의 품질에 크게 영향을 미치는 영상 수차를 최소화하였습니다. 자동 초점 및 스티칭 공정을 개발하여 시스템 자동화와 대면적 구조화를 실현하였습니다. 이 제작 방법을 통해 150 nm 크기의 특징과 400 nm 주기를 갖는 고해상도 회절 격자를 최초로 구현하였습니다. 또한 밀리미터 및 센티미터 규모의 대면적 마이크로 구조물, 강성 및 유연 기판 위의 요소, 그리고 레이저 활성 물질이 내장된 포토폴리머로 만든 마이크로 구조물도 성공적으로 제작하였으며, 이는 이전에 보고된 바 없습니다. 특히, 레이저 활성 물질이 도핑된 폴리머의 사용은 다양한 응용을 위한 새로운 능동 광자 소자 제작의 길을 열어줍니다. 얻어진 결과는 개발된 MPP 방법이 빠르고 유연하며 고해상도의 광학 제작을 위한 강력한 도구임을 명확히 보여줍니다. 결과 개발된 MPP 방법을 사용하여, 구조 설계부터 기판 위 구조물 제작까지의 절차를 포함하는 세 가지 주요 단계를 거쳐 광학 마이크로 및 나노 구조물을 구현하였습니다. 패턴화된 크롬 포토마스크 준비를 위한 Tessar 프로젝션 포토리소그래피(TPP)와 원하는 구조물 제작을 위한 MPP 두 가지 장치를 개발하였습니다. 두 시스템에 대한 상세한 설명과 개략도는 재료 및 방법 섹션에 제공되어 있습니다. 이 방법의 능력을 입증하기 위해 다양한 기하학, 크기, 기판 및 재료를 가진 여러 마이크로 및 나노 구조물을 제작하였습니다. 단일 모드 직선 및 교차 웨이브가이드 첫 번째 단계에서는 다양한 기하학적 복잡성을 가진 단일 모드 웨이브가이드를 제작하였으며(Fig.1), 여기에는 다양한 기하학과 특징 크기를 가진 단일 모드 교차 웨이브가이드 그룹이 포함됩니다. 이 구조물들은 자체 합성한 저수축 유기-무기 하이브리드 감광성 재료34로 만들어졌으며, 기판 위에 제작되었습니다.

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